基于EDEM的采煤機滾筒工作性能的仿真研究

盧紅波

【摘 ?要】為研究不同參數情況下的采煤機滾筒工作性能，本文以MG500/1180-WD型號的采煤機為研究對象，基于EDEM軟件建立仿真模型，再利用MATLAB等軟件對數據進行處理，分析滾筒轉數、滾筒截深及頂板壓力對采煤機滾筒的截割能力、裝煤能力、滾筒三向載荷能力的影響。通過仿真模擬得出最佳數據，以提高采煤機滾筒的工作性能，進而提高采煤效率。

【關鍵詞】EDEM;采煤機滾筒;工作性能;仿真模擬

前言

采煤機滾筒是用于截煤、落煤和輸煤的關鍵部位，采煤機滾筒的截齒排列和滾筒的轉速直接影響采煤機的采煤速率[1]。EDEM是世界上第一個利用現代化離散元模型科技設計的用于模擬和分析生產操作的通用CAE軟件，EDEM可通過建立煤巖破碎模型，模擬采煤機的截割過程。通過數學模型的建立和仿真，研究采煤機滾筒的工作性能指標。在研究的過程中，還可對采煤機施加一定的頂板壓力，使模擬效果更加逼真。

1 滾筒截割過程中數學模型的建立

1.1 建立仿真模型

為了更加清晰的描述采煤機截割巖煤的動態過程和滾筒的裝煤過程，可通過EDEM建立包含滾筒、刮板輸運機中的部槽和煤層的虛擬仿真模型，再建立滾筒和刮板的三維模型進行仿真。模型建立時應遵循簡化原則，適當的忽略不會對仿真結果產生影響的內部復雜結構。參考本研究采用的采煤機型號，確定滾筒所需的主要參數結構，包括滾筒寬度（1000mm）、筒轂直徑（650mm）、滾筒直徑（1800mm）以及螺旋升角（25°）等[2]。

1.2 建立巖煤模型

除了建立滾筒等模型以外，還需對巖煤顆粒進行模擬。本次模擬主要添加煤和巖兩種顆粒。在實際操作過程中，巖煤具有多種形態。因此，在建立模型時，應將巖煤顆粒設置為和真實狀態下相似的、有著特定結構和尺寸的模型。在EDEM中可通過創建多個球面來定義巖煤顆粒的幾何特征，并進行填充，這樣就能得到不同形狀和尺寸的模型顆粒，是的模型更貼近實際情況。

1.3 設定仿真參數

由于計算機算法都有時間的消耗和延遲，模型中涉及到的仿真數據越多，計算機處理速度越低。由于仿真模型中的顆粒接觸數較多，為了確保仿真的穩定，應設定固定時間步長為21%。在不影響仿真結果的情況下，盡量減少仿真的時間。網格尺寸為最小顆粒半徑的3-4倍。

2 滾筒轉速對采煤機裝煤性能的影響

在滾筒牽引速度為4m/min，截深為1050mm的條件下，分別對轉速為20、30、40r/min時的滾筒截割過程進行模擬，通過對比相同時刻不同轉速下顆粒的運動軌跡，研究顆粒的平均速度以及采煤機的裝煤曲線圖可得到滾筒轉數對采煤機裝煤性能的影響[3]。詳情如下圖一所示：

由圖可知，在相同牽引速度與截深的情況下，滾筒轉速越高，顆粒運動速度越大，滾筒上堆積顆粒越少，且轉速越高，顆粒拋得更遠，這說明此時滾筒的輸出能力越強。但當轉速超過30r/min后，巖煤粒子的其中一部分打在了采空區。因此，滾筒的最佳轉速為30r/min。

3 截深對采煤機裝煤性能的影響

在研究截深對采煤機裝煤性能的影響時，保證30r/min的轉速、3m/min的牽引速度不變的情況下，分別模擬截深為600、800和1000mm情況下的采煤機截割過程，通過在不同截深的情況下的某一時刻，顆粒的運動軌跡分析截深對采煤機性截割性能的影響。

由仿真結果可知，隨著截深的增大，被截落的煤巖顆粒逐漸增多，這說明隨著截深的加大，滾筒的輸出越多，且在1000mm的截深時，煤巖顆粒仍能被拋出，這說明1000mm的截深在適當范圍內[4]。利用MATLAB繪制處理后得到不同截深下的采煤機裝煤曲線圖，由圖可知，截深為1000mm時，采煤機的裝煤率最高，具體如下圖2所示：

4 轉速和截深對采煤機截割性能的聯合影響

截割比是在一定程度上反應滾筒截割單位體積巖煤時所需消耗的能量大小，根據EDEM處理后的數據顯示，轉速和截割深度的增加均會使截割比能耗增加，因此，在實際操作中，施工者可使用一定程度上能減小能耗的低轉速、小截深滾筒，同時，低轉速和小截深的滾筒還能提高截割率。

滾筒的三向載荷是指工作過程中，滾筒上所有載荷點載荷量的矢量和，矢量是有大小有方向的量，利用EDEM處理牽引速度為3m/min、滾筒轉速為30r/min以及截深為1000mm時的滾筒三向荷載曲線后得知：隨著轉速的增大滾筒三向載荷值都有不同程度的減小;隨著截深的增加，滾筒的切削面積增大，滾筒的三向載荷也逐漸增大。這說明，適當減小截深和增大滾筒轉速可有效減小滾筒的三向載荷，減少截齒的磨損。

5 結論

本文以MG500/1180-WD型號采煤機為研究對象，利用EDEM仿真軟件對采煤機在不同截深和轉速下的工作狀況進行仿真模擬，探索出最適合的滾筒截深和轉速。仿真結果表明：在滾筒的牽引速度與截深一定時，隨著轉速的增加，采煤機裝煤速度逐漸增加，滾筒的最佳轉速為30r/min;在轉速和牽引速度一定的情況下，隨著截深的增加，采煤機的裝煤速率逐漸增加，最佳的截深為1000mm;滾筒的三向載荷隨轉速的增大而減小，隨截深的增大而增大;滾筒的截割比隨著轉速和截深的增大而增大[5]。

根據EDEM仿真結果可得知，在實際操作中，為保證采煤機的采煤速率與質量，應選擇合適的低轉速和大截深的滾筒進行采煤作業，但若需要保證能耗較小，同時又提高截割效率，可將截深進行適量減小。

參考文獻：

[1]郭小軍，張海東，吳進玲等.基于EDEM的勺輪式葵花排種器離散元仿真研究[J].中國農機化學報，2019，40（02）：25-30.

[2]毛君，劉思陽，張坤等.基于EDEM的放頂煤液壓支架放煤過程的仿真研究[J].機械強度，2019，41（02）：217-221.

[3]張強，張旭，孫紹安等.基于EDEM的家用榨油機壓榨腔工作性能仿真研究[J].農業工程學報，2018，34（24）：291-299.

[4]江濤，吳崇友，湯慶等.基于ANSYS和EDEM的小麥莖稈切割仿真研究[J].江蘇農業科學，2018，46（17）：239-242.

[5]李祖吉，宋少云，陳德炳等.基于EDEM與Workbench的碾米機米篩聯合仿真研究[J].糧食與飼料工業，2015，344（12）：42-44.

（作者單位：山西鄉寧焦煤集團毛則渠煤炭有限公司）